利用Zigbee技术构建无线传感器网络

1 Zigbee 技术及其优势

1.1 Zigbee 技术概述

Zigbee ProtocoI Stack 体系结构如图1所示，它主要有5 层体系组成。 由Zigbee 联盟与IEEE 802. 15.4 的任务小组来共同担任标准的制定。 其中物理层、MAC 层标准主要由IEEE802. 15. 4 的任务小组完成。

而数据链路接层，以及传输过程中的网络层、还有与用户的接口是由Zigbee 联盟主导。

图1 Zigbee 的体系结构。

Zigbee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。 Zigbee 的PHY 层中接取方式是采用直接序列扩展频率技术（Direct Seguence Spread Spectrum），它存在如下优点：1）扩频信号具有好的隐蔽性。扩频信号的频谱被扩散到很宽的频带内，相对而言，其功率谱密度也随之降低（可明显低于环境噪声和干扰电平），难以检测，因而扩频信号具有隐蔽性。 2）扩频信号具有保密性。 扩频信号受特定伪随机序列控制，接受者如不能按此伪随机序列的规律进行解扩，就不能恢复消耗中传送的信息，因而扩频信号具有保密性。3）扩频信号具有很强的抗干扰性。 4）提高系统容量。

在扩频系统中，由于使用多个伪随机序列作为不同用户的地址码，这样可以共用一个频段来实现码分多址，这样可以共用一个频段来实现码分多址通讯。 同时IEEE802. l5. 4 协议中定义了2 种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。 对全功能器件，要求它支持所有的49 个基本参数，仅为蓝牙的1 / 3. 而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持3S 个基本参数。 一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通讯，有3 种工作方式，即用作网络协调器、协调器或器件。 而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。 IEEES02. 15. 4 协议提供了3种数据传输方式：直接数据传输、间接数据传输、有保证时隙（GTS）数据传输。

1. 2 Zigbee 技术的主要优点

1）省电。 由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，Zigbee 技术可以确保2 节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间，当然不同的应用功耗是不同的。

2）可靠。 采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。 MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

3）成本低。 模块的初始成本估计在6 美元左右，很快就能降到1. 5 美元到2. 5 美元之间，且Zigbee 协议是免专利费的。

4）时延短。 针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。 设备搜索时延典型值为30 ms，休眠激活时延典型值是15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms.

5）网络容量大。 一个ZigBee 网络可以容纳最多254 个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100 个ZigBee 网络。

6）安全。 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES - 12S，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

由于无线传感器网络本身要求节点密集、节能、方便路由等技术特点，可以看出应用ZigBee 技术作无线传感器节点的无线通讯是可能的。

2 无线传感器网络的实现

2. 1 无线传感器的构建

通过上述的描述，利用ZigBee 技术和IEEE1451. 2协议来构建的无线传感器，其基本结构如图2 所示：

图2 无线传感器结构图

STIM 部分包括传感器、放大滤波电路、A/ D 转换；TII 部分主要由控制单元组成；NCAP 负责通讯。"燃气表数据无线传输系统"项目中实现了无线燃气表传感器的设计（如图3 所示）：STIM 选用"CG - L - J2. 5 / 4D型号"的燃气表；TII 选用ATMEL 公司的S0C51，S 位CPU;NCAP 选用赫立讯公司IP·Link 1000 - B 无线模块。 在此方案中，燃气表的数据为已经处理好的数据。 由于燃气表数据为一个月抄一次，所以在设计的过程中不用没有考虑数据的实时性问题。 IP·Link 1000- B 模块为赫立讯公司为ZigBee 技术而开发的一款无线通讯模块，其主要特点如下：支持多达40 个网络节点的链接方式；300 MHZ 到1 000 MHZ 的无线收发器；高效率发射、高灵敏度接受；多达76. S kbit / s 的无线数据速率；IEEE S02. 15. 4 标准兼容产品；内置高性能微处理器；具有2 个UART 接口；10 bit、23 K 采样率ADC 接口；微功耗待机模式，这样为无线传感器网络中降低功率损耗提供了一种灵活的电源管理方案。

图3 无线传感器控制和通迅模块

存储芯片选用有64 K Bytes 的存储空间的ATEML 公司24C512 EEPROM 芯片；按一户需要SBYTES 的信息量计算，可以存储S 000 多个用户的海量信息，对一个小区完全够用。

所有芯片选用3. 3 V 的低压芯片，可以降低设备的能源消耗。

在无线传输中数据结构的表示是一个关键的部分，它往往可以决定设备的主要使用性能；在这里把它设计成以下结构：

数据头：3 Bytes 固定为："AAAAAA"。

命令字：1 Byte 具体的命令。

（01 - 发送数据；02 - 接受数据；03 - 进入休眠；04 - 唤醒休眠）数据长度：1 Byte 为后面"数据"长度的字节数。

数据：0 ~ 20 Bytes 为具体的有效数据。

CRC 校检：2 Bytes 是从命令字到数据的所有数据进行校检。

在完整接受到以上格式的数据后，通过CRC 校检来完成对数据是否正确进行判读，这在无线通讯中是十分必要的。

2. 2 无线传感器网络的构建

IEEE802. 15. 4 提供了3 种有效的网络结构（树型、孔型、星型）和3 种器件工作模式（ 协调器、全功能模式、简化功能模式），如图5 所示。 简化功能模式只能作为终端无线传感器节点，全功能模式既可以作为终端传感器节点，也可以作为路由节点，协调器只能作为路由节点。

图4 IEEE802. 15. 4 的3 种网络结构

这样无线传感器网络可以大致组成3 种基本的拓扑结构。 1）基于星型的拓扑结构，它具有天然的分布式处理能力，星型中的路由节点就是分布式处理中心，即它具有路由功能，也有一定的数据处理和融合的能力，每个终端无线传感器节点都把数据传给其所在拓扑的路由节点，在路由节点完成数据简单、有效的融合，然后对处理后的数据进行转发。 考虑到路由节点的功能和通讯的频率相对终端传感器节点较多，一般其功耗也较大，所以其电源容量也较终端传感器节点电源的容量大，可考虑为大容量电池或太阳能电源。 2）基于孔状的拓扑结构，这种结构无线传感器网络连成一张网，网络非常健壮，伸缩性好，在个别链路和传感器节点发生失效时，不会引起网络分立。 可以同时通过多条路由通道传输数据，传输可靠性非常高。 3）基于树型的拓扑结构，在这种结构下传感器节点被串联在一条或多条链上，链尾与终端传感器节点相连。 这种方案在中间节点失效的情况下，会使其某些终端节点失去连接。

"燃气表数据无线传输系统"项目中采用的星型拓扑结构，主要因为其结构简单，实现方便，不需要大量的协调器节点，降低了成本。 每个终端无线传感器节点为每家的气表（ 平时无线通讯模块为掉电方式，通过路由节点来激活），手持式接受机为移动的路由节点。

整个网络的建立是随机的、临时的；当手持接收机在小区里移动时，通过发出激活命令来激活所有能激活的节点，来临时的建立一个星型的网络；其网络建立及数据流的传输过程如以下流程：

1）路由节点发出激活命令；2）终端无线传感器节点被激活；3）在每个终端无线传感器节点分别延长不同随机数倍的固定时间段后，节点通知路由节点自己被激活；4）路由节点建立激活终端无线传感器节点表；5）路由节点通过此表对激活节点进行点名通讯，直到表中的节点数据全部下载完成；6）重复1）~ 5），直到小区中所有终端节点数据下载完成。

这样当一个移动接收机在小区里移动时，可以通过动态地组网把小区里用户燃气信息下载到接收机中，再将接受机中的数据拿到处理中心去集中处理。 通过以上步骤建立的通讯，在小区实际无线抄表中得到了很好的应用。

3 结束语

"燃气表数据无线传输系统"项目情况中，对采集数据的实时性要求不高，数据也没做任何的处理，只是简单的存储、转发。 而实际在军事应用中，无线传感器网络的情况就复杂的多。 例如，空投一批无线传感器到敌方阵地，希望组成一个网络定期或不定期的发送数据时就必须考虑以下问题［5 - 6］：1）在终端传感器数目确定的情况下，怎样确定路由节点的数据来保证网络必要的服务质量；以及在明确路由节点的数目后，如何考虑终端传感器节点的数目来提高网络的利用率；2）网络的路由如何确定才能使得网络通讯最优和电源管理最优；3）网络的拓扑结构如何选择；4）数据的融合策略是什么；5）终端传感器节点间数据的同步问题；6）网络中传感器节点的定位等等。 这些问题都值得在下一步工作中做进一步的研究。

在"燃气表数据无线传输系统"中，应用Zigbee 技术来构建无线传感器网络，并利用星型拓扑结构组成无线网络，很好的实现了设计目标，为构建无线传感器网络上提出了一个好的解决方法。 国外已经有了这方面的应用。 可以预见随着微电子技术、Zigbee 技术、网络技术、电源技术的发展，传感器与Zigbee 技术的融合将进一步紧密。

作者：王东 张金荣 魏延 曹长修 唐政 来源：《重庆大学学报（自然科学版）》